JP2003046203A - 窒化物半導体の成長方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 主として窒化物半導体よりなるレーザ素子の
閾値を低下させて室温で長時間連続発振させることによ
り、信頼性が高く、効率に優れた窒化物半導体素子を実
現する。 【構成】 本発明の窒化物半導体素子は、ｎ型窒化物半
導体層とｐ型窒化物半導体層との間に、量子構造を有す
る活性層が形成されてなる窒化物半導体素子において、
前記活性層は表面に微細な凹凸が設けられたｎ型層に接
して形成されていることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はＬＥＤ（発光ダイオー
ド）、ＬＤ（レーザダイオード）等の発光素子、あるい
は太陽電池、光センサー等の受光素子に使用される窒化
物半導体（Ｉｎ _ＸＡｌ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ、０≦X、０
≦Y、X＋Y≦１）よりなる素子と、その素子を構成する
窒化物半導体の成長方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】窒化物半導体は高輝度青色ＬＥＤ、純緑
色ＬＥＤの材料として、フルカラーＬＥＤディスプレ
イ、交通信号等で最近実用化されたばかりである。これ
らのＬＥＤはｎ型窒化物半導体層と、ｐ型窒化物半導体
層との間に、単一量子井戸構造（ＳＱＷ：Single-Quant
um- Well）を有するＩｎＧａＮよりなる活性層を有する
ダブルへテロ構造を有している。青色、緑色等の波長は
ＩｎＧａＮ活性層のＩｎ組成比を増減することで決定さ
れている。

【０００３】また、本出願人は、最近この材料を用いて
パルス電流において、室温での４１０ｎｍのレーザ発振
を発表した（例えば、Jpn.J.Appl.Phys. Vol35 (1996)
pp.L74-76）。図１に発表したレーザ素子の構造を示
す。このレーザ素子はサファイア基板の上にＧａＮバッ
ファ層、ｎ−ＧａＮ、ｎ−Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ、ｎ−Ａｌ
0.15Ｇａ0.85Ｎ、ｎ−ＧａＮ、ＩｎＧａＮよりなる多重
量子井戸構造（ＭＱＷ：Multi-Quantum-Well）の活性
層、ｐ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ、ｐ−ＧａＮ、ｐ−Ａｌ0.15
Ｇａ0.85Ｎ、ｐ−ＧａＮが順に積層されてなる電極スト
ライプ型のレーザ素子であり。最上層のｐ型ＧａＮには
ストライプ状のｐ電極、エッチングにより露出されたバ
ッファ層の上のｎ−ＧａＮには同じくストライプ状のｎ
電極が形成されている。このレーザ素子はパルス電流
（パルス幅２μｓ、パルス周期２ｍｓ）において、閾値
電流６１０ｍＡ、閾値電流密度８．７ｋＡ／cm^２、閾値
電圧２１Ｖと、閾値での電流、電圧がかなり高い。室温
連続発振させるためには、この閾値電流、電圧が下がる
ような、さらに発光効率の高い素子を実現する必要があ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このように窒化物半導
体ではＬＥＤが実用化域に入っており、益々の光度向
上、長寿命が望まれ、ＬＤでは早期室温での連続発振が
望まれている。そのためには素子自体の構造を改良し
て、窒化物半導体デバイスの特性を向上させる必要があ
る。そのためには最も過酷な条件で使用されるレーザ素
子の閾値を低下させて、レーザ素子を連続発振させるこ
とが、最もわかりやすい。従って本発明の目的とすると
ころは、主として窒化物半導体よりなるレーザ素子の閾
値を低下させて室温で長時間連続発振させることによ
り、信頼性が高く、効率に優れた窒化物半導体素子を実
現することにある。これを実現することにより、同時に
ＬＥＤの発光効率を向上させ、太陽電池、光センサー等
の受光素子の効率も向上させることができる。そのため
に本発明では、新規な窒化物半導体素子の構造と、その
素子を構成する窒化物半導体の成長方法とを提供する。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の窒化物半導体素
子は、ｎ型窒化物半導体層（以下、ｎ型層という。）と
ｐ型窒化物半導体層（以下、ｐ型層という。）との間
に、量子構造を有する活性層が形成されてなる窒化物半
導体素子において、前記活性層は表面に微細な凹凸が設
けられたｎ型層に接して形成されていることを特徴とす
る。なお量子構造とは、単一量子井戸構造（ＳＱＷ：Si
ngle-quantum-Well）、ＭＱＷ、量子ドット、量子箱
等、窒化物半導体の量子効果が現れるような、単一膜厚
が非常に薄い膜厚で形成された活性層を意味し、具体的
には例えばＳＱＷであれば膜厚が７０オングストローム
以下、さらに好ましくは５０オングストローム以下の単
一井戸層よりなる活性層を意味し、ＭＱＷであれば、障
壁層が１５０オングストローム以下、さらに好ましくは
１００オングストローム以下の膜厚で形成され、障壁層
と前記井戸層とを複数積層してなる活性層を意味する。
量子箱、量子ドットとは、活性層の膜厚の薄い井戸層及
び／又は障壁層の一部が相分離してインジウムの多いイ
ンジウムリッチ領域と、インジウムの少ないインジウム
プアー領域とを形成しており、インジウムリッチ領域と
インジウムプアー領域とが平面上で規則的に並んだよう
な状態になって量子箱を形成している状態を指す。ある
いはＩｎリッチ領域と、Ｉｎプアー領域によって生じる
井戸層の厚さが面内で不均一であり、面内方向において
キャリアが閉じこめられるようになっているものも、こ
こでは含んで量子ドット若しくは量子箱というが、量子
箱、量子ドットについては後に詳説する。

【０００６】本発明の半導体素子において、活性層に接
して形成されているｎ型層の凹凸の平均段差が１０オン
グストローム〜１００オングストロームの範囲内にある
ことを特徴とする。なお凹凸の平均段差は、その窒化物
半導体層の表面荒さを測定することによって決定でき
る。

【０００７】本発明の窒化物半導体の成長方法は２種類
の態様からなり、その第１の態様は、ｎ型層を成長させ
た後、そのｎ型層の表面に微細な凹凸を設ける工程と、
その凹凸が設けられたｎ型層に接して、量子構造を有
し、かつインジウムを含む窒化物半導体よりなる活性層
を成長させる工程とを備えることを特徴とする。

【０００８】本発明の成長方法の第２の態様は、成長後
の窒化物半導体層の最表面に微細な凹凸が形成されるよ
うにｎ型層を成長させる工程と、凹凸が設けられたｎ型
窒化物半導体層に接して、量子構造を有し、かつインジ
ウムを含む窒化物半導体よりなる活性層を成長させる工
程とを備えることを特徴とする。

【０００９】さらに、本発明の成長方法の第１の態様及
び第２の態様において、前記凹凸の平均段差が１０オン
グストローム〜１００オングストロームの範囲内にある
ことを特徴とする。

【００１０】（１）ｎ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半
導体層との間に、量子構造を有する活性層が形成されて
なる窒化物半導体素子において、前記活性層は表面に微
細な凹凸が設けられたｎ型窒化物半導体層に接して形成
されていることを特徴とする窒化物半導体素子。 （２）前記ｎ型窒化物半導体層の表面の凹凸の平均段差
が１０オングストローム〜１００オングストロームの範
囲内にあることを特徴とする（１）に記載の窒化物半導
体素子。 （３）ｎ型窒化物半導体層を成長させた後、そのｎ型窒
化物半導体層の表面に微細な凹凸を設ける工程と、その
凹凸が設けられたｎ型窒化物半導体層に接して、量子構
造を有し、かつインジウムを含む窒化物半導体よりなる
活性層を成長させる工程とを備えることを特徴とする窒
化物半導体の成長方法。 （４）成長後の窒化物半導体層の最表面に微細な凹凸が
形成されるようにｎ型窒化物半導体層を成長させる工程
と、凹凸が設けられたｎ型窒化物半導体層に接して、量
子構造を有し、かつインジウムを含む窒化物半導体より
なる活性層を成長させる工程とを備えることを特徴とす
る窒化物半導体の成長方法。 （５）前記ｎ型窒化物半導体層表面の凹凸の平均段差が
１０オングストローム〜１００オングストロームの範囲
内にあることを特徴とする（３）または（４）に記載の
窒化物半導体の成長方法。

【００１１】

【発明の実施の形態】図２に本発明の窒化物半導体素子
の活性層付近の構造を拡大して示す模式的な断面図を示
す。本発明の窒化物半導体素子は活性層が形成されるｎ
型層表面に微細な凹凸が設けられている。このｎ型層の
上に量子構造を有する活性層を成長させると、活性層の
表面にも凹凸が発生する。量子構造を構成する活性層の
単一井戸層の膜厚は７０オングストローム以下と非常に
薄い。このような単一膜厚が非常に薄い層を、凹凸のあ
るｎ型層の表面に成長させると、活性層はその性質を受
け継いで凹凸が発生する、さらにその凹凸により活性層
に組成の不均一が生じやすい傾向にある。つまり、ｎ型
層の凹凸の上に活性層を成長させると、活性層（井戸
層）に注入されたキャリアは、面内方向でｎ型層、ｐ型
層との層のバンドギャップ差により、キャリアが横方向
に閉じこめられたような形となり量子箱、若しくは量子
ドット構造と同一となり、出力が大幅に向上する。

【００１２】図２ではキャリアを○印でもって示して、
そのキャリアが活性層の横方向に存在するｎ型層で閉じ
こめられた状態を示している。このようにｎ型層に凹凸
ができると、Ｉｎを含む活性層はＩｎの組成不均一が起
こりやすくなり、Ｉｎ含有量が少ないＩｎプアー領域
と、Ｉｎ含有量が多いＩｎリッチ領域ができやすくなる
傾向にある。あるいはＩｎを含む活性層をｎ型層の上に
成長させると、例えばＩｎＧａＮは成長時に相分離を起
こしやすく、相分離が起きたときにＩｎＧａＮ活性層の
膜厚が不均一になる傾向にある。このため、たとえ下の
ｎ型層の凹凸が小さくても、このＩｎＧａＮの相分離に
よる凹凸により、さらに活性層の凹凸が大きくなる傾向
にある。このため活性層にできた量子ドット、あるいは
量子箱は凹凸によるキャリアの閉じこめ効果と、Ｉｎ組
成分離による２つの効果よりなる。しかも、前記のよう
に、このＩｎＧａＮ凹凸領域にはＩｎリッチ領域とプア
ー領域とができている。即ち、少なくとも一つの井戸層
を有する活性層の面内において、インジウム組成が不均
一であることは、単一井戸層の面方向においてバンドギ
ャップの異なるＩｎＧａＮ領域（Ｉｎリッチ領域、Ｉｎ
プア領域）が存在し、さらに面内方向において、凹凸に
よって起こる横方向のキャリアの閉じこめが存在するこ
とを意味する。従って、活性層に注入されたキャリア
は、Ｉｎリッチ領域、あるいは凹凸による横方向の閉じ
こめを受ける。これは三次元的にキャリアが閉じこめら
れた効果に相当する。つまり活性層が量子箱、量子ドッ
ト効果に相当するのである。

【００１３】さらに、量子ドット効果の他に、活性層に
注入された電子キャリアと正孔キャリアとが井戸層のＩ
ｎリッチ領域、または凹凸によるキャリアの横方向の閉
じこめを受け、三次元的に局在化して、局在エキシトン
あるいはバイエキシトンを形成し、レーザの閾値を低下
させる助けとなると共に出力を向上させているのかも知
れない。Ｉｎリッチ領域にはプアー領域に比較して多く
のキャリアが存在し、電子キャリアと正孔キャリアとが
局在してエキシトンに基づく発光、又はバイエキシトン
に基づく発光をする。即ち、Ｉｎリッチ領域は量子ドッ
ト又は量子箱を構成する。従って、凹凸のあるｎ型層の
表面に形成されたＩｎＧａＮよりなる量子構造の活性層
が、量子ドット若しくは量子箱を構成しやすくなるため
に、出力が大幅に向上すると推察される。従って、活性
層を単一量子井戸構造（ＳＱＷ:Single quantum wel
l）、多重量子井戸構造（ＭＱＷ:Multi quantum well）
のような量子井戸構造で構成する場合、少なくともＩｎ
含む窒化物半導体よりなる井戸層を有することが必要で
あり、単一井戸層の好ましい膜厚は７０オングストロー
ム以下、さらに好ましくは５０オングストローム以下の
膜厚に調整する。ＭＱＷの場合、障壁層は井戸層よりも
バンドギャップエネルギーが大きい窒化物半導体層で構
成し、膜厚は１５０オングストローム以下、さらに好ま
しくは１００オングストローム以下に調整する。

【００１４】以上述べたような活性層の効果が最も顕著
に現れるｎ型層表面の凹凸段差は１０オングストローム
以上、１００オングストローム以下、さらに好ましくは
１０オングストローム以上、６０オングストローム以
下、最も好ましくは１０オングストローム以上、４０オ
ングストローム以下である。１０オングストロームより
も小さいと、量子ドットの基底エネルギー準位がバリア
ー層のエネルギーバリアをエネルギー的にオーバーフロ
ーし、前記量子ドット、量子箱の効果が現れにくい傾向
にある。また１００オングストロームよりも大きいと、
活性層の結晶性が悪くなって、発光出力が低下する傾向
にある。

【００１５】さらにまた、このような活性層に、凹凸が
形成されたｎ型層と同一種類のｎ型不純物をドープする
と、レーザ素子では閾値電流がさらに低下する。活性層
に、ｎ型不純物をドープすると、伝導帯と価電子帯との
間に、さらに不純物レベルのエネルギー準位が形成され
る。そのため電子キャリアはより深い不純物レベルのエ
ネルギー準位に落ち、そこで電子キャリアと正孔キャリ
アとが再結合してより小さなエネルギーｈν’を放出す
る。このことは電子キャリアがよりいっそう局在化し、
このいっそう局在化して形成されたエキシトンの効果に
より窒化物半導体素子、特にレーザ素子の閾値が低下す
るものと推測される。また活性層とｎ型層も同じ不純物
が含まれているので、互いの層間で不純物が拡散して
も、悪影響を及ぼすことがない。ｎ型不純物としては、
Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ等、周期律表第４Ａ族、第４Ｂ族、第
６Ａ族及び第６Ｂ族より選択される少なくとも一種の元
素が挙げられるが、特に好ましくはＳｉを用いる。

【００１６】本発明の成長方法の第１の態様において、
ｎ型層を成長させた後、そのｎ型層の表面に微細な凹凸
を設けるには、例えば以下の方法がある。

【００１７】第１はｎ型層表面をエッチングする手段で
ある。エッチングには大きく分けてドライエッチング
と、ウエットエッチングとがあるが、好ましくはドライ
エッチングを用いる。ドライエッチングには、反応性イ
オンエッチング（ＲＩＥ）、反応性イオンビームエッチ
ング（ＲＩＢＥ）、電子サイクロトロン共鳴エッチング
（ＥＣＲ）、イオンミリング、光励起エッチング等の装
置が挙げられる。いずれもエッチング室内にガスを導入
して、そのガスを活性化させて、窒化物半導体をエッチ
ングする装置であり、ガスの種類を適宜選択することに
より、表面荒さを調整することができる。例えばＲＩＥ
であれば、活性Ｓｉと活性Ｃｌとを含む雰囲気で窒化物
半導体をエッチングできる。ウエットエッチングであれ
ば、例えばリン酸と硫酸の混酸を用いることができる。

【００１８】第２はｎ型層表面を研磨（ラッピング、ポ
リシング）する手段である。研磨剤としては例えばダイ
ヤモンド、ＳｉＣ、ＷＣ等がある。研磨時の研磨剤の粒
度、研磨圧力等を適宜調整して、ｎ型層の表面に微細な
凹凸を設ける。

【００１９】また、本発明の成長方法の第２の態様にお
いて、成長後の窒化物半導体層の最表面に微細な凹凸が
形成されるようにｎ型層を成長させるには、例えば以下
の方法で成長させることができる。

【００２０】まず第１に、ｎ型層成長終了直前に、その
ｎ型層にｎ型不純物を多量にドープして、最後に不純物
を多量に含むｎ型層を成長させる方法がある。不純物を
多量に含む層の膜厚は特に限定するものではないが、１
０００オングストローム以下となるように調整すること
が望ましい。１０００オングストロームよりも不純物を
多くドープした層を形成すると、ｎ型層自体の結晶性が
悪くなりすぎて、結晶性の良い活性層を成長させること
が難しくなる傾向にある。ｎ型不純物の好ましいドープ
量は１×１０^１８／cm^３以上、さらに好ましくは１×１
０^１９／cm^３以上、最も好ましくは１×１０^２０／cm^３
以上に調整する。

【００２１】次に第２に、ｎ型層成長終了直前に、ｎ型
層結晶の成長速度を早くして、今まで成長させてきたｎ
型層よりも、故意に結晶性を悪くする方法がある。この
方法によると、成長速度を早める層の膜厚も特に限定す
るものではないが、１０オングストローム以上、１００
０オングストローム以下に調整することが望ましい。成
長速度としては、結晶成長方法によっても異なるが、例
えばＭＯＶＰＥ法では今まで成長させてきた結晶の成長
速度に比較して、１．５倍〜１０倍の成長速度で成長さ
せる。

【００２２】窒化物半導体を成長させるには、例えば有
機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）、分子線気相成長法
（ＭＢＥ）、有機金属分子線気相成長法（ＭＯＭＢ
Ｅ）、ハライド気相成長法（ＨＤＶＰＥ）法等、従来提
案されている窒化物半導体の成長方法を用いることがで
きる。

【００２３】

【実施例】以下、ＭＯＶＰＥ法により本発明の素子に係
る、窒化物半導体よりなるレーザ素子を作製する工程
を、図面を参照しながら詳説する。

【００２４】［実施例１］図３は本発明の一実施例によ
るレーザ素子の構造を示す模式的な断面図であり、レー
ザ光の共振方向に対して垂直な方向で素子を切断した際
の図を示している。

【００２５】サファイア（Ｃ面）よりなる基板１を反応
容器内にセットし、容器内を水素で十分置換した後、水
素を流しながら、基板の温度を１０５０℃まで上昇さ
せ、基板のクリーニングを行う。基板１にはサファイア
Ｃ面の他、Ｒ面、Ａ面を主面とするサファイア、その
他、スピネル（ＭｇＡ１_２Ｏ_４）のような絶縁性の基板
を用いることができる。絶縁性基板では、得られるレー
ザ素子は同一面側にｎ電極と、ｐ電極が形成された構造
となる。絶縁性基板の他、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを
含む）、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、ＧａＮ等の半導体
基板を用い、上下にある窒化物半導体層にｎ電極と、ｐ
電極を設ける構造とすることもできるし、絶縁性基板の
ように同一面側の窒化物半導体層にｎ、ｐ両電極を形成
することもできる。

【００２６】続いて、温度を５１０℃まで下げ、キャリ
アガスに水素、原料ガスにアンモニアとＴＭＧ（トリメ
チルガリウム）とを用い、基板１上にＧａＮよりなるバ
ッファ層２を約２００オングストロームの膜厚で成長さ
せる。バッファ層はＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ等が、
９００℃以下の温度で、膜厚数十オングストローム〜数
百オングストロームで形成できる。このバッファ層は基
板と窒化物半導体との格子定数不正を緩和するために形
成されるが、窒化物半導体の成長方法、基板の種類等に
よっては省略することも可能である。

【００２７】バッファ層２成長後、ＴＭＧのみ止めて、
温度を１０３０℃まで上昇させる。１０３０℃になった
ら、同じく原料ガスにＴＭＧ、アンモニアガス、不純物
ガスにシランガスを用い、ｎ型コンタクト層３として、
Ｓｉを８×１０^１８／cm^３ドープしたＳｉドープｎ型Ｇ
ａＮ層を、８００オングストローム／minの速さで、５
μｍ成長させる。ｎ型コンタクト層はＩｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ
_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ（０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）で構成するこ
とができ、特にＧａＮ、ＩｎＧａＮ、その中でもＳｉ若
しくはＧｅをドープしたＧａＮで構成することにより、
キャリア濃度の高いｎ型層が得られ、またｎ電極と好ま
しいオーミック接触が得られる。ｎ電極の材料としては
Ａｌ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｉｎ等の金属若し
くは合金が好ましいオーミックが得られる。

【００２８】次に、温度を８００℃にして、原料ガスに
ＴＭＧ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、アンモニ
ア、不純物ガスにシランガスを用い、同じく８００オン
グストローム／minの成長速度で、Ｓｉを８×１０^１８
／cm^３ドープしたＳｉドープＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎよりなる
クラック防止層４を５００オングストロームの膜厚で成
長させる。このクラック防止層４はＩｎを含むｎ型の窒
化物半導体、好ましくはＩｎＧａＮで成長させることに
より、次に成長させるＡｌを含むｎ型クラッド層５を厚
膜で成長させることが可能となり、非常に好ましい。Ｌ
Ｄの場合は、光閉じ込め層となる層を、好ましくは０．
１μｍ以上の膜厚で成長させる必要がある。従来ではＧ
ａＮ、ＡｌＧａＮ層の上に直接、厚膜のＡｌＧａＮを成
長させると、後から成長させたＡｌＧａＮにクラックが
入るので素子作製が困難であったが、このクラック防止
層４が、次に成長させるＡｌを含むｎ型クラッド層５に
クラックが入るのを防止することができる。なおこのク
ラック防止層は１００オングストローム以上、０．５μ
ｍ以下の膜厚で成長させることが好ましい。１００オン
グストロームよりも薄いと前記のようにクラック防止と
して作用しにくく、０．５μｍよりも厚いと、結晶自体
が黒変する傾向にある。なお、このクラック防止層４は
成長方法、成長装置等の条件によっては省略することも
できるがＬＤを作製する場合には成長させる方が望まし
い。このクラック防止層４はｎ型コンタクト層３内に成
長させても良い。

【００２９】次に温度を１０３０℃にして、原料ガスに
ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＧ、ＮＨ_３、
ＳｉＨ_４を用い、同じく８００オングストローム／min
の成長速度で、Ｓｉを８×１０^１８／cm^３ドープしたＳ
ｉドープｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎよりなるｎ型クラッド層
５を０．５μｍの膜厚で成長させる。この第１のｎ型ク
ラッド層５はキャリア閉じ込め層、及び光閉じ込め層と
して作用し、上記のようにＡｌを含む窒化物半導体、好
ましくはＡｌＧａＮを成長させることが望ましく、１０
０オングストローム以上、２μｍ以下、さらに好ましく
は５００オングストローム以上、１μｍ以下で成長させ
ることにより、結晶性の良いキャリア閉じ込め層が形成
できる。

【００３０】続いて、１０３０℃、Ｓｉを８×１０^１８
／cm^３ドープしたＳｉドープｎ型ＧａＮよりなるｎ型光
ガイド層６を、同じく８００オングストローム／minの
成長速度で、０．２μｍ成長させる。このｎ型光ガイド
層６は、活性層の光ガイド層として作用し、ＧａＮ、Ｉ
ｎＧａＮを成長させることが望ましく、通常１００オン
グストローム〜５μｍ、さらに好ましくは２００オング
ストローム〜１μｍの膜厚で成長させることが望まし
い。

【００３１】光ガイド層６成長後、反応容器内の温度を
室温に戻してから、ウェーハを取り出し、ＲＩＥ装置に
移送する。ついでＲＩＥ装置にて、Ｃｌ_２とＳｉＣｌ_４
ガスを用い、ｎ型光ガイド層６の表面全体をわずかにエ
ッチングする。エッチング終了後、原子間力電子顕微鏡
でｎ型光ガイド層の表面を観察したところ、およそ３０
オングストロームの表面荒さが測定できた。

【００３２】エッチング後、再度ウェーハを反応容器に
移送し、原料ガスにＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニア、シラ
ンガスを用いて活性層７を成長させる。活性層７は温度
を８００℃に保持して、まずＳｉを８×１０^１８／cm^３
でドープしたＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎよりなる井戸層を２５オ
ングストロームの膜厚で成長させる。次にＴＭＩのモル
比を変化させるのみで同一温度で、Ｓｉを８×１０^１８
／cm^３ドープしたＩｎ0.01Ｇａ0.95Ｎよりなる障壁層を
５０オングストロームの膜厚で成長させる。この操作を
２回繰り返し、最後に井戸層を積層した多重量子井戸構
造の活性層７を成長させる。活性層のｎ型不純物は本実
施例のように井戸層、障壁層両方にドープしても良く、
またいずれか一方にドープしてもよい。

【００３３】次に、温度を１０５０℃に上げ、ＴＭＧ、
ＴＭＡ、ＮＨ_３、Ｃｐ2Ｍｇ（シクロペンタジエニルマ
グネシウム）を用い、活性層よりもバンドギャップエネ
ルギーが大きい、Ｍｇドープｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎより
なるｐ型キャップ層８を３００オングストロームの膜厚
で成長させる。このｐ型キャップ層８はｐ型としたが、
膜厚が薄いため、ｎ型不純物をドープしてキャリアが補
償されたｉ型としても良く、最も好ましくはｐ型とす
る。ｐ型キャップ層８の膜厚は０．１μｍ以下、さらに
好ましくは５００オングストローム以下、最も好ましく
は３００オングストローム以下に調整する。０．１μｍ
より厚い膜厚で成長させると、ｐ型キャップ層８中にク
ラックが入りやすくなり、結晶性の良い窒化物半導体層
が成長しにくいからである。またキャリアがこのエネル
ギーバリアをトンネル効果により通過できなくなる。ま
た、Ａｌの組成比が大きいＡｌＧａＮ程薄く形成すると
ＬＤ素子は発振しやすくなる。例えば、Y値が０．２以
上のＡｌ_ＹＧａ_１−ＹＮであれば５００オングストロー
ム以下に調整することが望ましい。ｐ型キャップ層８の
膜厚の下限は特に限定しないが、１０オングストローム
以上の膜厚で形成することが望ましい。

【００３４】続いて１０５０℃で、バンドギャップエネ
ルギーがｐ型キャップ層８よりも小さい、Ｍｇドープｐ
型ＧａＮよりなるｐ型光ガイド層９を０．２μｍの膜厚
で成長させる。この層は、活性層の光ガイド層として作
用し、ｎ型光ガイド層６と同じくＧａＮ、ＩｎＧａＮで
成長させることが望ましい。また、この層はｐ型クラッ
ド層１０を成長させる際のバッファ層としても作用し、
１００オングストローム〜５μｍ、さらに好ましくは２
００オングストローム〜１μｍの膜厚で成長させること
により、好ましい光ガイド層として作用する。

【００３５】続いて１０５０℃で、バンドギャップエネ
ルギーがｐ型光ガイド層９よりも大きい、Ｍｇドープｐ
型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎよりなるｐ型クラッド層１０を０．
５μｍの膜厚で成長させる。この層はｎ型クラッド層５
と同じく、キャリア閉じ込め層、及び光閉じ込め層とし
て作用し、Ａｌを含む窒化物半導体、好ましくはＡｌＧ
ａＮを成長させることが望ましく、１００オングストロ
ーム以上、２μｍ以下、さらに好ましくは５００オング
ストローム以上、１μｍ以下で成長させることにより、
結晶性の良いキャリア閉じ込め層が形成できる。

【００３６】本実施例のようにＩｎＧａＮよりなる井戸
層を有する量子構造の活性層７の場合、その活性層７に
接して、膜厚０．１μｍ以下のＡｌを含むｐ型キャップ
層８を設け、そのｐ型キャップ層８よりも活性層から離
れた位置に、ｐ型キャップ層８よりもバッドギャップエ
ネルギーが小さいｐ型光ガイド層９を設け、そのｐ型光
ガイド層９よりも活性層から離れた位置に、ｐ型光ガイ
ド層９よりもバンドギャップが大きいＡｌを含む窒化物
半導体よりなるｐ型クラッド層１０を設けることは非常
に好ましい。しかもｐ型キャップ層８の膜厚を０．１μ
ｍ以下と薄く設定してあるため、キャリアのバリアとし
て作用することはなく、ｐ層から注入された正孔が、ト
ンネル効果によりｐ型キャップ層８を通り抜けることが
できて、活性層で効率よく再結合し、ＬＤの出力が向上
する。つまり、注入されたキャリアは、ｐ型キャップ層
８のバンドギャップエネルギーが大きいため、半導体素
子の温度が上昇しても、あるいは注入電流密度が増えて
も、キャリアは活性層をオーバーフローせず、ｐ型キャ
ップ層８で阻止されるため、キャリアが活性層に貯ま
り、効率よく発光することが可能となる。従って、半導
体素子が温度上昇しても発光効率が低下することが少な
いので、閾値電流の低いＬＤを実現することができる。
なお、本発明においては、ＬＤを作成する場合に活性層
７から上の層は、窒化物半導体で発振しやすい最も好ま
しい構成を示したが、本発明では活性層から上のｐ型層
の構成は特に規定するものではない。

【００３７】最後に、ｐ型クラッド層１０の上に、１０
５０℃でＭｇドープｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト
層１１を０．５μｍの膜厚で成長させる。ｐ型コンタク
ト層１１はｐ型のＩｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ（０≦
X、０≦Y、X＋Y≦１）で構成することができ、好ましく
はＭｇをドープしたＧａＮとすれば、ｐ電極２１と最も
好ましいオーミック接触が得られる。なお、ｐ型コンタ
クト層と好ましいオーミックが得られるｐ電極の材料と
しては、例えばＮｉ、Ｐｄ、Ｎｉ／Ａｕ等を挙げること
ができる。

【００３８】反応終了後、温度を室温まで下げ、さらに
窒素雰囲気中、ウェーハを反応容器内において、７００
℃でアニーリングを行い、ｐ型層をさらに低抵抗化す
る。

【００３９】アニーリング後、ウェーハを反応容器から
取り出し、図３に示すように、ＲＩＥ装置でにより最上
層のｐ型コンタクト層１１と、ｐ型クラッド層１０とを
エッチングして、４μｍのストライプ幅を有するリッジ
形状とする。このように、活性層よりも上部にあるｐ型
層をストライプ状のリッジ形状とすることにより、活性
層の発光がストライプリッジの下に集中するようになっ
て閾値が低下する。特に活性層よりも上にあるＡｌを含
むｐ型窒化物半導体層以上の層をリッジ形状とすること
が好ましい。リッジ形成後、リッジ表面にマスクを形成
し、図３に示すように、ストライプ状のリッジに対して
左右対称にして、ｎ型コンタクト層３の表面を露出させ
る。

【００４０】次にｐ型コンタクト層１１の表面にＮｉと
Ａｕよりなるｐ電極２１をストライプ状に形成する。一
方、ＴｉとＡｌよりなるｎ電極２２をストライプ状のｎ
型コンタクト層３のほぼ全面に形成する。なおほぼ全面
とは８０％以上の面積をいう。

【００４１】次に、図３に示すように、ｎ電極２２とｐ
電極２１との間に露出した窒化物半導体層の表面にＳｉ
Ｏ_２よりなる絶縁膜３０を形成し、この絶縁膜３０を介
してｐ電極２１と電気的に接続したパッド電極２３を形
成する。このパッド電極２３は実質的なｐ電極２１の表
面積を広げて、ｐ電極側をワイヤーボンディングできる
ようにする作用がある。

【００４２】以上のようにして、ｎ電極とｐ電極とを形
成したウェーハを研磨装置に移送し、ダイヤモンド研磨
剤を用いて、窒化物半導体を形成していない側のサファ
イア基板１をラッピングし、基板の厚さを５０μｍとす
る。ラッピング後、さらに細かい研磨剤で１μｍポリシ
ングして基板表面を鏡面状とする。

【００４３】基板研磨後、研磨面側をスクライブして、
ストライプ状の電極に垂直な方向でバー状に劈開し、劈
開面に共振器を作製する。なお劈開面はサファイア基板
の上に成長した窒化物半導体面の

【外１】 面とする。外１面とは窒化物半導体を正六角柱の六方晶
系で近似した場合に、その六角柱の側面に相当する四角
形の面（Ｍ面）に相当する面である。この他、ＲＩＥ等
のドライエッチング手段により端面をエッチングして共
振器を作製することもできる。またこの他、劈開面を鏡
面研磨して作成することも可能である。

【００４４】劈開後、共振器面にＳｉＯ_２とＴｉＯ_２よ
りなる誘電体多層膜を形成し、最後にｐ電極に平行な方
向で、バーを切断してレーザチップとした。次にチップ
をフェースアップ（基板とヒートシンクとが対向した状
態）でヒートシンクに設置し、それぞれの電極をワイヤ
ーボンディングして、室温でレーザ発振を試みたとこ
ろ、室温において、閾値電流密度１．５ｋＡ／cm^２、閾
値電圧６Ｖで、発振波長４０５ｎｍの連続発振が確認さ
れ、３日間の連続発振を確認した。

【００４５】［実施例２］実施例１において、ｎ型光ガ
イド層６成長後、ｎ型光ガイド層６の表面をダイヤモン
ド粉を含む研磨剤を用いて、わずかにポリシングする。
ポリシング後に同様にして、ｎ型光ガイド層の表面を観
察すると、およそ５０オングストロームの表面荒さが観
測できた。その後は実施例１と同様にして活性層、ｐ型
層等を成長させて同じくレーザ素子としたところ、閾値
電流密度１．５ｋＡ／cm^２、閾値電圧６Ｖにおいて、２
日間の連続発振を確認した。これは凹凸段差が大きくな
ったことにより寿命がやや低下したものと推察される。

【００４６】［実施例３］実施例１においてｎ型光ガイ
ド層６を成長させる工程を次のように行う。即ち温度を
１０３０℃に保持して、Ｓｉを８×１０^１８／cm^３ドー
プしたＳｉドープｎ型ＧａＮよりなるｎ型光ガイド層６
を、同じく８００オングストローム／minの成長速度
で、０．１６μｍ成長させる。０．１６μｍ成長したと
同時に、ＴＭＧガス、アンモニアガスを止めずに、シラ
ンガスのみの流量を多くして、光ガイド層を連続して３
０秒間成長させ、最後の４００オングストローム分の膜
厚の光ガイド層をＳｉを高濃度でドープする。この最後
の４００オングストローム分のｎ型光ガイド層のＳｉ濃
度は１×１０^２１／cm^３であった。成長後、ウェーハを
反応容器から取り出し、実施例と同様にして表面荒さを
測定したところ、４０オングストロームであった。後は
実施例１と同様にして、このｎ型光ガイド層の上に、活
性層、ｐ型層を成長させレーザ素子を作製したところ、
実施例１とほぼ同等の特性を有するレーザ素子が作製で
きた。

【００４７】［実施例４］実施例１においてｎ型光ガイ
ド層６を成長させる工程を次のように行う。即ち温度を
１０３０℃に保持して、Ｓｉを８×１０^１８／cm^３ドー
プしたＳｉドープｎ型ＧａＮよりなるｎ型光ガイド層６
を、同じく８００オングストローム／minの成長速度
で、０．１６μｍ成長させ、０．１６μｍ成長したと同
時に、原料ガスの流量を倍にして、１６００オングスト
ローム／minの成長速度で、光ガイド層を連続して１５
秒間成長させ、最後の４００オングストローム分の膜厚
の光ガイド層を倍の成長速度で成長させる。成長後、ウ
ェーハを反応容器から取り出し、実施例と同様にして表
面荒さを測定したところ、３０オングストロームであっ
た。後は実施例１と同様にして、このｎ型光ガイド層の
上に、活性層、ｐ型層を成長させレーザ素子を作製した
ところ、実施例１とほぼ同等の特性を有するレーザ素子
が作製できた。

【００４８】以上、実施例３、４ではｎ型光ガイド層を
成長させた後、その表面荒さを測定するために、ウェー
ハを反応容器から取り出しているが、実際のレーザ素子
は反応容器から取り出さずに、基板の上に窒化物半導体
層を連続してｐ型コンタクト層まで成長させている。

【００４９】［実施例４］実施例１において、エッチン
グレートを変えて、ｎ型光ガイド層６の表面荒さを１０
０オングストロームとする他は同様にしてレーザ素子を
得たところ、同じく閾値電流密度１．５ｋＡ／cm^２、閾
値電圧６Ｖで１時間の連続発振を確認した。

【００５０】［実施例５］実施例２において、研磨剤を
変えて、ｎ型光ガイド層６の表面荒さを１５０オングス
トロームとする他は同様にしてレーザ素子を得たとこ
ろ、連続発振は確認できなかったが、パルス幅２００μ
ｓ、パルス周期２ｍｓのパルス電流において１００日間
の発振を確認した。

【００５１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の窒化物半
導体素子は微細な凹凸を有するｎ型層に接して、量子構
造を有する活性層を成長させることにより素子の出力が
格段に向上する。これはインジウムを含む活性層が量子
ドット構造、量子箱構造になりやすいためと推察され
る。従って、高出力で、長寿命なレーザ素子を実現でき
る。レーザ素子が改善されたことにより、レーザ素子よ
りも緩やかな条件で使用されるＬＥＤ素子はさらに信頼
性もよくなる。また、本発明の技術は、ＬＥＤ、ＬＤの
ような発光デバイスだけではなく、トランジスタ、ＦＥ
Ｔ、ＭＯＳ等の窒化物半導体をを用いた全ての電子デバ
イスに適用できることはいうまでもない。

【図面の簡単な説明】

【図１】 従来のレーザ素子の一構造を示す模式断面
図。

【図２】 本発明に係る窒化物半導体素子の活性層付近
の構造を示す模式断面図。

【図３】 本発明の一実施例に係るレーザ素子の構造を
示す模式断面図。

【符号の説明】

１・・・サファイア基板 ２・・・バッファ層 ３・・・ｎ型コンタクト層 ４・・・クラック防止層 ５・・・ｎ型クラッド層 ６・・・ｎ型光ガイド層 ７・・・活性層 ８・・・ｐ型キャップ層 ９・・・ｐ型光ガイド層 １０・・・ｐ型クラッド層 １１・・・ｐ型コンタクト層 ２１・・・ｐ電極 ２２・・・ｎ電極 ２３・・・パッド電極 ３０・・・絶縁膜

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Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ｎ型窒化物半導体を成長させた後、エッ
   チングにより表面を荒らして凹凸を設ける凹凸形成工程
   と、前記ｎ型窒化物半導体の凹凸表面上に、窒化物半導
   体を成長させる凹凸表面成長工程とを、具備してなるこ
   とを特徴とする窒化物半導体の成長方法。
2. 【請求項２】 ｎ型窒化物半導体を成長させた後、研磨
   により表面を荒らして凹凸を設ける凹凸形成工程と、前
   記ｎ型窒化物半導体の凹凸表面上に、窒化物半導体を成
   長させる凹凸表面成長工程とを、具備してなることを特
   徴とする窒化物半導体の成長方法。
3. 【請求項３】 ｎ型窒化物半導体を成長させる時に、該
   ｎ型窒化物半導体の最表面が不純物を多量に含む高濃度
   ｎ型窒化物半導体となるように成長させて、表面に凹凸
   を形成する凹凸表面形成工程と、前記ｎ型窒化物半導体
   の凹凸表面上に、窒化物半導体を成長させる凹凸表面成
   長工程とを、具備してなることを特徴とする窒化物半導
   体の成長方法。
4. 【請求項４】 ｎ型窒化物半導体を成長させる時に、該
   ｎ型窒化物半導体の成長速度を早くして、成長速度を早
   める層を設けてその表面に凹凸を形成する凹凸表面形成
   工程と、前記ｎ型窒化物半導体の凹凸表面上に、窒化物
   半導体を成長させる凹凸表面成長工程とを、具備してな
   ることを特徴とする窒化物半導体の成長方法。
5. 【請求項５】 前記エッチング手段が、ドライエッチン
   グであることを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体
   の成長方法。
6. 【請求項６】 前記研磨に用いる研磨剤が、ダイヤモン
   ド粉であることを特徴とする請求項２記載の窒化物半導
   体の成長方法。
7. 【請求項７】 前記不純物のｎ型不純物濃度が、１×１
   ０^２０／ｃｍ^３以上であることを特徴とする請求項３記
   載の窒化物半導体の成長方法。
8. 【請求項８】 前記成長速度を早める層の成長速度が、
   成長させてきた結晶の成長速度に比較して、１．５倍〜
   １０倍の成長速度であることを特徴とする請求項４記載
   の窒化物半導体の成長方法。
9. 【請求項９】 凹凸表面成長工程において、インジウム
   を含む窒化物半導体を成長させることを特徴とする請求
   項１乃至８記載の窒化物半導体の成長方法。
10. 【請求項１０】 凹凸表面成長工程において、インジウ
    ムを含む窒化物半導体よりなる量子井戸構造の活性層を
    成長させて、前記ｎ型窒化物半導体とｐ型窒化物半導体
    との間に該活性層が形成された窒化物半導体素子を形成
    することを特徴とする請求項１乃至９記載の窒化物半導
    体の成長方法。
11. 【請求項１１】 前記窒化物半導体が、六方晶系のＭ面
    を有することを特徴とする請求項１乃至１０記載の窒化
    物半導体の成長方法。